Petrolul și benzinele

Petrolul brut este un amestec de hidrocarburi, fără formulă moleculară unică. Distilarea fracționată îl separă în gaze petroliere, benzine, petrol lampant, motorină și păcură, după intervalele de fierbere. Cracarea rupe moleculele mari, iar reformarea catalitică transformă alcanii liniari în izoalcani și arene. Cifra octanică măsoară rezistența benzinei la detonație în motorul cu aprindere prin scânteie: izooctanul are cifra 100, iar n-heptanul 0.

Compoziția și distilarea. Petrolul conține alcani, cicloalcani și arene, alături de compuși cu sulf, azot și oxigen. În coloana de distilare, temperatura scade de jos în sus, iar fiecare fracție colectează hidrocarburile cu puncte de fierbere apropiate. În ordinea creșterii punctelor de fierbere se separă gazele petroliere (${\mathrm{C}}_1$–${\mathrm{C}}_4$, folosite drept combustibil), benzinele (circa ${\mathrm{C}}_5$–${\mathrm{C}}_{10}$, pentru motoare cu scânteie), petrolul lampant (circa ${\mathrm{C}}_{10}$–${\mathrm{C}}_{15}$, carburant pentru avioane), motorina (circa ${\mathrm{C}}_{15}$–${\mathrm{C}}_{20}$, pentru motoare Diesel) și păcura, reziduul din care, prin distilare în vid, se obțin uleiuri, parafină și bitum. Fiecare fracție rămâne un amestec de hidrocarburi, nu o substanță pură.

Chimizarea. Distilarea nu schimbă moleculele; prelucrarea chimică le transformă.

• Cracarea rupe alcanii mari în molecule mai mici, un alcan și o alchenă: ${\mathrm{C}}_{12}{\mathrm{H}}_{26}\to {\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{18}+{\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_8$. Mărește cantitatea de benzină și produce etenă și propenă pentru industria chimică.
• Reformarea catalitică, cu catalizator de platină la temperatură ridicată, izomerizează alcanii liniari, îi ciclizează și îi dehidrogenează la arene; produce și hidrogen.
• Hidrofinarea îndepărtează compușii cu sulf, care ar arde la $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$.

Cifra octanică. Detonația este arderea prea rapidă și neregulată a amestecului din cilindru. Scara cifrei octanice are două repere: n-heptanul (cifra 0, detonează ușor) și izooctanul, 2,2,4-trimetilpentanul (cifra 100). O benzină cu cifra $x$ se comportă ca un amestec de referință cu $x\%$ în volum izooctan, restul n-heptan. Ramificarea catenei, ciclurile aromatice și dublele legături cresc cifra octanică; alcanii liniari lungi o scad. Benzinele comercializate au cifrele 95 și 98. Plumbul tetraetil, aditiv antidetonant folosit odinioară, s-a interzis din cauza toxicității; în prezent se adaugă eteri și etanol.

Arderea combustibililor. Arderea completă a hidrocarburilor dă $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ și apă; arderea incompletă produce monoxid de carbon și funingine. Din compușii cu sulf rezultă $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$, iar în cilindru, la temperatură ridicată, azotul și oxigenul din aer formează oxizi de azot; ambele gaze poluează aerul.

Exemplu rezolvat 1. Ce amestec de referință are aceeași cifră octanică cu o benzină de cifră 85, în $60$ L?

1. Cifra $85$ înseamnă $85\%$ izooctan în volum.
2. Izooctan: $0,85\cdot 60=51$ L.
3. n-Heptan: $60-51=9$ L, adică $15\%$.

Exemplu rezolvat 2. Se cracă $2$ mol de dodecan, ${\mathrm{C}}_{12}{\mathrm{H}}_{26}$, în octan și butenă. Ce mase de produși rezultă?

1. $M({\mathrm{C}}_{12}{\mathrm{H}}_{26})=170$ g/mol, deci masa inițială este $340$ g.
2. Ecuația este $1:1:1$, deci rezultă $2$ mol ${\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{18}$ ($M=114$ g/mol), adică $228$ g, și $2$ mol ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_8$ ($M=56$ g/mol), adică $112$ g.
3. Bilanț: $228+112=340$ g. Butena ocupă $2\cdot 22,4=44,8$ L (c.n.).

Exemplu rezolvat 3. Ce volum de oxigen și de aer, cu $20\%$ oxigen în volum, arde complet $57$ g de octan?

1. $2{\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{18}+25{\mathrm{O}}_2\to 16C{\mathrm{O}}_2+18{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$; $57/114=0,5$ mol octan.
2. $n({\mathrm{O}}_2)=0,5\cdot 25/2=6,25$ mol, adică $140$ L; aerul are $140\cdot 5=700$ L.
3. Rezultă $4$ mol $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ ($89,6$ L) și $4,5$ mol apă ($81$ g).

Complement grupat. Despre prelucrarea petrolului se afirmă:

1. Distilarea fracționată transformă alcanii liniari în izoalcani.
2. Reformarea catalitică mărește cifra octanică a benzinei.
3. Cracarea unui alcan produce numai alcani.
4. Izooctanul (2,2,4-trimetilpentanul) are cifra octanică 100.

Variantele de răspuns:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte

• B. Numai 1 și 3 sunt corecte

• C. Numai 2 și 4 sunt corecte

• D. Numai 4 este corectă

• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false

• Afirmația 1 este falsă: distilarea separă după punctele de fierbere și nu schimbă moleculele.

• Afirmația 2 este adevărată: izoalcanii și arenele formate prin reformare au cifră octanică mai mare.

• Afirmația 3 este falsă: cracarea dă un alcan și o alchenă, de exemplu ${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{12}\to \mathrm{C}{\mathrm{H}}_4+{\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_8$.

• Afirmația 4 este adevărată: izooctanul este reperul superior al scării.

Răspuns corect: C.

Energia arderii. Ce energie degajă arderea a $50$ L de benzină cu $\rho =0,72$ kg/L și puterea calorică $q_m=45$ MJ/kg?

1. Puterea calorică este dată pe kilogram, deci volumul se transformă mai întâi în masă: $m=50\cdot 0,72=36$ kg.
2. $Q=m{q}_m=36\cdot 45=1620$ MJ.

Cifra octanică nu intervine în acest calcul.

Cracarea pentanului. Din $10$ mol de n-pentan, $5$ mol se cracă după ${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{12}\to \mathrm{C}{\mathrm{H}}_4+{\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_8$, $3$ mol după ${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{12}\to {\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6+{\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6$, iar $2$ mol rămân neschimbate. Ce procent molar are propena și ce densitate relativă are amestecul față de hidrogen?

1. Rezultă $5+5+3+3+2=18$ mol de gaze; propena are $3$ mol.
2. Procentul molar este $3/18=16,7\%$.
3. Masa se conservă: $10\cdot 72=720$ g. Masa molară medie este $720/18=40$ g/mol, deci densitatea față de hidrogen este $40/2=20$.

Greșeli frecvente

• Greșit: Benzina cu cifra octanică 95 conține obligatoriu 95% izooctan.
  Corect: Cifra exprimă echivalența cu amestecul de referință la test.
• Greșit: Distilarea fracționată produce alchene prin ruperea alcanilor.
  Corect: Distilarea separă; cracarea rupe moleculele.
• Greșit: Reformarea catalitică scade cifra octanică, fiindcă lungește catena.
  Corect: Prin izomerizare și formare de arene, cifra octanică crește.
• Greșit: Fiecare fracție petrolieră este o substanță pură cu un singur punct de fierbere.
  Corect: Este un amestec de hidrocarburi, cu interval de fierbere.

Înainte și după